汤加水下火山喷发被发现扰乱了地球另一端的卫星信号

一个国际团队利用卫星和地面电离层观测证明，火山爆发引发的气压波可能在电离层产生赤道等离子体气泡(EPB)，严重破坏卫星通信。他们的研究结果发表在《科学报告》杂志上。

电离层是地球高层大气的区域，分子和原子被太阳辐射电离，产生带正电的离子。电离粒子浓度最高的区域称为F区，即地球表面上方150至800公里的区域。F区在远距离无线电通信中起着至关重要的作用，将卫星和GPS跟踪系统使用的无线电波反射和折射回地球表面。

这些重要的传播可能会因F区的不规则性而中断。白天，电离层被太阳的紫外线辐射电离，在赤道附近产生密度最高的电子密度梯度。然而，对此的破坏，例如等离子体，电场和中性风的运动，可能导致形成增强等离子体密度的局部不规则性。这个区域可以生长和进化，形成一种称为EPB的气泡状结构。EPB 会延迟无线电波并降低 GPS 的性能。

由于这些密度梯度会受到大气波的影响，因此长期以来一直假设它们是由火山活动等陆地事件形成的。对于由名古屋大学空间地球环境研究所(ISEE)的指定助理教授Atsuki Shinbori(他，他)和Yoshizumi Miyoshi教授(他，他)领导的国际团队，与NICT，电气通信大学，东北大学，金泽大学，京都大学和ISAS合作，汤加火山喷发为他们提供了一个测试这一理论的绝佳机会。

汤加火山喷发是历史上最大的海底喷发。这使得该团队能够使用Arase卫星来检测EPB的发生，使用Himawari-8卫星来检查气压波的初始到达以及地面电离层观测以跟踪电离层的运动来测试他们的理论。他们观察到赤道上电子密度的不规则结构，这是在火山爆发产生的压力波到达后发生的。

“这项研究的结果显示，亚洲赤道至低纬度电离层产生的盾构机是为了应对汤加附近海底火山喷发引起的压力波的到来，”Shinbori说。

该小组还取得了令人惊讶的发现。他们首次表明，电离层涨落比等离子体气泡产生的大气压力波早几分钟到几小时开始。这可能具有重要意义，因为它表明需要修订长期存在的地圈-大气-宇宙圈耦合模型，该模型指出电离层扰动只发生在火山爆发之后。

“我们的新发现是，在汤加火山爆发引发的冲击波最初到达之前几分钟到几小时观察到电离层扰动，”Shinbori说。“这表明快速大气波在电离层中的传播在冲击波最初到达之前触发了电离层扰动。因此，需要修改模型以解释电离层中的这些快速大气波。

他们还发现，EPB的延伸比标准模型预测的要远得多。“以前的研究表明，在如此高的海拔地区形成等离子体气泡是罕见的，这使得这是一种非常不寻常的现象，”Shinbori说。“我们发现这次喷发形成的EPB甚至到达了电离层以外的空间，这表明当汤加事件等极端自然现象发生时，我们应该注意电离层和宇宙圈之间的联系。

“这项研究的结果不仅从科学的角度来看意义重大，而且从空间天气和防灾的角度来看也是重要的，”他说。“在汤加火山喷发等大规模事件的情况下，观测表明，即使在正常情况下被认为不太可能发生的条件下，电离层中也会形成一个洞。这种情况尚未纳入空间天气预报模型。这项研究将有助于预防与地震、火山爆发和其他事件引起的电离层扰动相关的卫星广播和通信故障。